磁性納米複合熱電材料的磁電效應和熱電性能提升研究

《磁性納米複合熱電材料的磁電效應和熱電性能提升研究》是依託武漢理工大學，由趙文俞擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：磁性納米複合熱電材料的磁電效應和熱電性能提升研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙文俞
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

相對獨立調控Seebeck係數和電導率是當前熱電材料領域的挑戰性難題。針對實驗發現的填充CoSb3價帶電子結構收斂現象，提出擬通過鐵磁金屬、稀磁半導體和磁性絕緣體納米粒子與填充CoSb3基體的納米複合製備磁性納米複合熱電材料，運用外加磁場調控該材料中磁性納米粒子的磁化方向，研究不同磁化方向條件下磁振子產生的自旋Seebeck效應、自旋遷移力矩和磁振子拖曳熱電勢等磁電效應對填充CoSb3電子結構的影響規律，確定將填充CoSb3價帶頂Co3d5/2精細電子態電子激發至導帶的磁振子屬性，揭示填充CoSb3價帶電子結構收斂與電輸運性能之間的關係，闡明磁振子磁電效應調控填充CoSb3熱電材料Seebeck係數和電導率的物理機制。在此基礎上，建立基於磁振子磁電效應的Seebeck係數和電導率相對獨立調控方法，為實現填充CoSb3熱電材料電輸運性能的大幅度提高和熱電性能ZT的更大突破提供新的途徑。

結題摘要

為了獲得優異的電輸運性能，熱電材料通常要求排除磁性雜質，這種傳統認識限制了磁性納米複合熱電材料的發展。本項目以永磁非金屬納米粒子和軟磁金屬納米粒子作為第二相摻雜相、以(Ba,In)雙原子填充方鈷礦作為基體熱電材料，開展了磁性納米複合熱電材料的組成設計、製備方法和電熱輸運物理機制的系統研究，同時研究了填充方鈷礦熱電材料精細結構與熱電性能提升之間的依存關係和多種局域輸運行為的共存機制及其對電輸運和熱輸運的協同調控作用。取得了以下主要成果： 設計並製備了一系列由BaFe12O19永磁納米粒子（BaM-NPs）和Ba0.3In0.3Co4Sb12基體熱電材料組成的磁性納米複合熱電材料。發現BaM-NPs由鐵磁向順磁轉變的磁性相變可以控制磁性納米複合熱電材料的電輸運行為；BaM-NPs表現出可使複合材料獲得高ZT值的“電子庫”作用，居里溫度以下起俘獲電子作用，在居里溫度以上釋放俘獲電子；BaM-NPs在複合材料中除增強聲子散射外，還產生了電子螺旋運動和磁振子拖拽熱電勢兩種磁電效應。在此基礎上，建立了利用永磁非金屬納米粒子鐵磁/順磁轉變產生的磁電效應抑制熱電材料本徵激發下熱電性能劣化的新方法，並利用該新方法研製出了In填充方鈷礦基磁性納米複合熱電材料。 設計並製備了一系列由軟磁金屬Co納米粒子和Ba0.3In0.3Co4Sb12基體熱電材料組成的磁性納米複合熱電材料Co/Ba0.3In0.3Co4Sb12。發現嵌入在基體熱電材料中的軟磁金屬納米粒子在經歷由鐵磁向超順磁轉變的磁性相變過程中產生了三種熱電磁效應，它們分別是由軟磁金屬納米粒子向基體熱電材料的電荷轉移、由超順磁性產生的電子多重散射和由單磁疇隨機轉動以及納米結構產生的增強聲子散射，這些熱電磁效應能夠在納米和介觀尺度上有效調控納米複合熱電材料中電子/聲子輸運和大幅度提高熱電性能。 發現在In填充方鈷礦熱電材料中同時存在可以實現電熱輸運協同調控的電子加速運動、費米能級附近態密度增大和聲子共振散射等三種局域輸運行為共存；(Ba,In)雙原子方鈷礦的熱電性能提升起源於能帶收斂、費米能級附近的態密度增加和(Ba,In)填充原子共振聲子散射。